Электронные технологии и элементы, применяемые в ЭВМ

Электронные технологии и элементы, на основе которых создавались ЭВМ, многократно изменялись.

Машины первого поколения строились на электронных лампах, второго – на дискретных полупроводниковых приборах (диодах и триодах – транзисторах), третьего и последующих – на интегральных полупроводниковых схемах.

Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, применялись такие системы элементов, как:

l резисторно-диодные,

l резисторно-транзисторные,

l феррито-транзисторные,

l диодно-транзисторные,

l транзисторно-транзисторные.

Наибольшее распространение в современных интегральных схемах получили транзисторно-транзисторные системы элементов (ТТЛ – транзисторно-транзисторно логика), в которых роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фиксированными напряжениями на своих электродах. В этой системе обеспечивается полная однородность структуры микросхемы – они содержат только транзисторы, что облегчает технологию их изготовления.

Архитектура используемых в ЭВМ транзисторов также изменялась:

l в машинах второго поколения применялись биполярные германиевые и кремниевые pnp и npn транзисторы,

l в интегральных схемах применяются униполярные полевыеМОП-транзисторы (МОП — металл-окисел-полупроводник, или MOS: Metal-Oxide-Semiconductor).

Полевые транзисторы (рис. 4.8) имеют три электрода:

l затвор (аналог «базы» биполярных транзисторов),

l исток (аналог «эмиттера»),

l сток (аналог «коллектора»).

Затвор электрически изолирован от прочих электродов пленкой оксида кремния[3] и управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии электронов (как в npn-транзисторах) или дырок (как в pnp-транзисторах), а создаваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП транзисторы и называются полевыми.

Униполярные транзисторы имеют большее быстродействие, нежели биполярные, ибо механизм их работы не связан с медленными диффузионными процессами. Элементы транзистора размещены на плоской кремниевой подложке (рис. 4.8)

Рис. 4.8. Структура полевого транзистора

Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей:

l nМОП

l pМОП

l МОП с дополнительной симметрией (КМОП-схемы — Комплиментарная структура Металл-Оксид-Полупроводник; CMOS — Complimentary Metal Oxide Semiconductor).

Транзисторы nМОП с каналом n-типа работают на основе электронной проводимости. Транзисторы pМОП с каналом p-типа, работают на основе дырочной проводимости. Быстродействие nМОП-транзисторов несколько выше, чем pМОП, поскольку электроны более подвижны, чем дырки. В настоящее время массовое применение имеют транзисторы КМОП (точнее схемы КМОП[4]). Симметрия создается в схемах путем совместного использования nМОП и pМОП-транзисторов.

В КМОП-схемах транзисторы nМОП и pМОП по отношению к источнику питания обычно оказываются последовательно включенными, а по отношению к выходному сигналу – параллельно включенными. Поскольку затворы nМОП или pМОП транзисторов включены параллельно, всегда один из этих транзисторов оказывается включенным, а другой — выключенным, и энергопотребление и выходное сопротивление КМОП схемы будет малым (небольшой ток будет протекать только в переходных режимах транзисторов). Затвор транзистора электрически изолирован от истока и стока, управление осуществляется электростатическим полем, поэтому входное сопротивление у полевых транзисторов очень большое.

Это обстоятельство создает удобство соединений КМОП-схем между собой и обеспечивает устойчивость их работы. КМОП-схемы имеют меньшее энергопотребление, нежели биполярные транзисторы и другие типы полевых транзисторов, могут более плотно упаковываться; созданные на их основе интегральные схемы могут исполняться в более миниатюрном масштабе микро-технологий.

В настоящее время КМОП-транзисторы применяются и в системах оперативной памяти, и в системах флэш-памяти. В модулях оперативной памяти для хранения одного бита информации используется конденсатор — «паразитная» емкость, имеющаяся между электродами транзистора (рис. 4.9.). Величина заряда этой емкости определяет хранимый бит: наличие заряда – «0», отсутствие заряда – «1» (иногда наоборот).

Рис.4.9 Элемент памяти на полевых транзисторах.

Управление схемой осуществляется:

l при записи информации — подачей потенциала на адресную шину 1 и записываемого бита по информационной шине 2,

l при считывании информации — подачей потенциала на адресную шину 3 и анализом изменения потенциала на выходной шине 4.

Для сохранения заряда емкости необходима постоянная его регенерация с периодом десятки миллисекунд. Поэтому такая память является энергозависимой и называется динамической.

Схемы считывания сигнала с шины 4 и схемы регенерации заряда емкости на рис. 4.9 не показаны. Эти схемы могут быть различными, и именно их организация определяет тип оперативной памяти:

l FPM DRAM,

l DRAM EDO.

l SDRAM.

l DR DRAM.

l DDR SDRAM и др.

В КМОП-транзисторах флэш-памяти для обеспечения энергонезависимости под основным затвором помещен еще один, так называемый плавающий затвор (рис. 4.10). Плавающий затвор имеет металлизацию (пленку из арсенида галлия, хрома, никеля, вольфрама и др.) для создания на границе раздела между металлом и полупроводником потенциального барьера Шотки[5], позволяющего хранить заряд конденсатора длительное время.

Рис. 4.10 Структура элемента флэш-памяти

В появившихся в 2002 году новых видах памяти FeRAM и MRAM используются сверхтонкие магнитные пленки, наносимые на поверхность кристаллов интегральной схемы. Поверх этой пленки, изготовленной из ферромагниевого сплава с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), наносятся еще электроды. Эти электроды создают при пропускании по ним электрического тока магнитное поле, намагничивающее наномагниты (цилиндрические магнитные домены) этой пленки в нужном направлении для записи кодов «1» и «0» и для считывания информации (рис. 4.11). В анонсированной в 2005 году MRAM наномагниты 0,11 мкм технологии напылены на кремниевую подложку методом электронно-лучевой литографии.

Рис. 4.11 Кривая намагничивания материала с ППГ

Обозначения на рисунке:

H – напряженность магнитного поля,

B – магнитная индукция материала,

Hc – коэрцитивная сила материала,

Bm – максимальная магнитная индукция,

Br - остаточная магнитная индукция.

При подаче положительного импульса H, превышающего Hc, материал намагничивается до значения Bm, превышающего Br. После снятия внешнего поля H материал возвращается в состояние Br (запись «1»).

При подаче отрицательного импульса H, превышающего -Hc, материал намагничивается до значения -Bm. После снятия отрицательного импульса -H материал возвращается в состояние -Br (запись «0»). При считывании подается отрицательный импульс H, и скорость изменения магнитной индукции материала формирует электронный импульс, амплитуда напряжения которого равна:

При считывании «0» DB - минимально, и электрический импульс практически не возникает. При считывании «1» DB =Br-(-Br) = 2Br, DB большое, формируется импульс, кодирующий 1.

ПРИМЕЧАНИЕ

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса используются во всех внешних запоминающих устройствах на магнитных и магнито-оптических дисках, магнитных лентах и в ОЗУ на магнитных сердечниках.

Планарные микросхемы

Изготавливаются интегральные схемы с МОП-транзисторами по планарной технологии: на поверхность пластины из полупроводника (кремния) наносится защитный слой диэлектрика (обычно путем окисления поверхности для образования пленки из двуокиси кремния), в котором методами фотолитографии вскрывают микро-окна. Поверх слоя диэлектрика наносится металлическая пленка, имеющая в окнах контакт с поверхностью полупроводника. Через окна для создания электронно-дырочных переходов нужной (n или p) полярности проводится диффузия[6] материалов-доноров или акцепторов-электронов. Так как кремний — четырехвалентный химический элемент, то для образования p-областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания n-областей — пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор).

Весьма перспективна при изготовлении полупроводниковых приборов разработанная в университете Баффало технология использования «самоорганизующихся» химических веществ — материалов с микроскопическими структурами («квантовыми точками»). По данным исследователей в названных веществах даже при комнатной температуре самопроизвольно происходит реакция, приводящая к созданию регулярных микроскопических структур с ячейками диаметром 0,04 мкм (механизм образования таких структур подобен образованию эмульсии в жидкости).

Параметры транзисторов зависят от масштаба технологического процесса их изготовления (масштаба технологии), который непрерывно уменьшается (см. таблицу 4.4).

В 2003 году концерн IBM предложил комбинированную микросхему «кремний на изоляторе» (SOI), в которой на одну и ту же подложку помещают одновременно и биполярные, и полевые транзисторы. Такая схема обладает меньшим энергопотреблением, а комбинированные чипы по технологии 0,065 мкм намечены к выпуску в 2005 году.

Уменьшение размеров транзисторов повышает плотность их размещения, уменьшает паразитные индуктивности и емкости электродов и позволяет повысить рабочую частоту микросхемы. Но при этом миниатюризация транзисторов (в ряде случаев толщина изолирующих слоев в транзисторе сопоставима с размерами атомов) приводит к росту паразитных токов утечки (мощность токов утечки может достигать сотен ватт), что, в свою очередь, повышает энергопотребление и снижает устойчивость работы схемы. Снижение напряжения питания схемы уменьшает разогрев схем только частично.

Уменьшение токов утечки достигается следующими способами:

l использование медных проводников (вместо имеющих большее удельное электрическое сопротивление алюминиевых);

l применение технологии напряженного (растянутого) кремния — strained Si (увеличение расстояния между атомами кристаллической решетки уменьшает удельное электрическое сопротивление).

ПРИМЕЧАНИЕ

В современных микросхемах толщина изолирующего слоя из диоксида кремния (SiO2) составляет всего 1,2 нанометра, то есть имеет толщину примерно 5-ти атомов, то ток утечки сравнительно велик и тепловыделение значительное (по оценкам экспертов почти 40% тепловыделения обусловлено утечками). Для улучшения электрических характеристик фирма Intel намерена заменить оксид кремния оксинитридом кремния (SiON) с меньшей диэлектрической проницаемостью. Новую технологию (под кодовым номером 1266) с масштабом 0,045 мкм на базе 300 мм подложек, медных соединений (рассматривается возможность использования специальных «углеродных трубок», имеющих меньшее электрическое сопротивление, чем медные проводники) и напряженного кремния намечено освоить в 2007 году.

В таблице 4.4 приведены кодовые номера технологических процессов и их некоторые характеристики.

Таблица 4.4 Кодовые номера технологических процессов изготовления транзисторов

ПРИМЕЧАНИЕ

В 1960-е годы предполагалось, что криогенная техника - сверхпроводники, проводящие электрический ток без потерь при температуре кипения жидкого гелия найдут широкое применение в компьютерах, в частности в их оперативной памяти. Действительно, электрические импульсы, посланные в кольцо из сверхпроводящего материала, будут там бесконечно долго передвигаться и таким образом сохранять записанную с их помощью информацию. Однако системы охлаждения оказались слишком дорогими, и лишь в конце 90-х годов с появлением высокотемпературных сверхпроводников (проявляющих сверхпроводящие свойства при температуре кипения жидкого азота, а не жидкого гелия), вновь проявился интерес к практическому применению сверхпроводников. Устройства могут быть построены на базе ниобия, проявляющего сверхпроводящие свойства при температуре около 5^о Кельвина. Эти устройства способны работать на очень высокой частоте до 20 ГГц (в лабораторных условиях была продемонстрирована их работоспособность даже на частоте в 750 ГГц). Поэтому в суперЭВМ, где требуется сверхвысокая производительность криогенные элементы могут найти широкое применение.